2024-2025学年高中物理第二章原子结构3光谱氢原子光谱教案教科版选修3-5

PAGE10-3光谱氢原子光谱一、光谱1．定义用光栅或棱镜把可见光按波长绽开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱．2．分类有些光谱是一条条的亮线，这样的亮线叫谱线，这样的光谱叫线状谱．有的光谱看起来不是一条条分立的谱线，而是连续在一起的光带，这样的光谱叫做连续谱．3．特征光谱各种原子的放射光谱都是线状谱，说明原子只放射特定频率的光．不同原子放射的线状谱的亮线位置不同，说明不同原子发光频率是不一样的，因此这些亮线称为原子的特征光谱．4．光谱分析利用原子的特征谱线来鉴别物质和确定物质的组成成分，这种方法叫做光谱分析．我们看到这样的情景：在太阳光下，我们用一个玻璃棱镜放在水平面上，在棱镜的背面会看到彩色的光带，你知道这种现象是如何产生的吗？提示：这是一种光的色散现象．白光为复色光，是由七种颜色的光复合而成，复色光分解为单色光的现象叫做光的色散，形成的彩色光带称为光谱．二、氢原子光谱的试验规律1．探讨光谱的意义光是由原子内部电子的运动产生的，因此光谱探讨是探究原子结构的重要途径．2．巴耳末公式从氢气放电管可以得到氢原子光谱，在可见光区的氢光谱符合巴耳末公式，用波长的倒数写出的公式为eq\f(1,λ)＝R(eq\f(1,22)－eq\f(1,n2))，n＝3,4,5，….式中的R为里德伯常量，试验值为R＝1.10×107m－1.可以看出，n只能取正整数，不能连续取值，波长也只能是分立的值．3．其他线系除了巴耳末线系，发觉氢光谱在红外和紫外光区的其他谱线也都满意与巴耳末公式类似的公式．4．巴耳末公式的意义巴耳末公式以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱，即辐射波长的分立性．光谱探讨的鼻祖是鼎鼎大名的科学家牛顿，1663年，当他还是一个剑桥高校21岁的高校生时就起先探讨色与光的问题．三年后，他做了出名的三棱镜光散射试验，将一束太阳光经一块三角形玻璃棱镜折射后，在墙上分布成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色的彩色光带．当再倒放一个三棱镜于第一个三棱镜后面时，各颜色又重新组合成为一束白光.1672年，在伦敦皇家学会上发表的第一篇论文《光和色的新理论》中，牛顿将这种彩虹色带命名为光谱，并正确地说明了它的成因．光谱分析可以用于鉴别物质和确定物质的组成成分，而且历史上有些元素就是利用光谱分析发觉的，你能说出两种通过光谱分析发觉的元素吗？提示：铷和铯．三、经典理论的困难1．卢瑟福核式学说的成就卢瑟福的核式结构模型正确地指出了原子核的存在，很好地说明了α粒子散射试验．2．经典理论的困难经典的物理学既无法说明原子的稳定性，又无法说明原子光谱的分立特征．随着原子核式结构模型的建立与氢原子光谱规律的探讨，经典理论出现了哪些困难？提示：(1)在核式结构模型中，电子绕原子核做圆周运动，电子具有加速度．依据经典电磁理论，电子加速运动时，要向外辐射电磁波，要辐射能量．这样，能量就会不断削减，轨道半径会越来越小，最终电子会坠入原子核中，原子将不复存在！(2)依据经典电磁理论，电子辐射电磁波的频率，就是它绕核转动的频率，电子越转能量越小，它离原子核就越来越近，转得也就越来越快，这个改变是连续的，也就是说，我们应当看到原子辐射各种频率的光，即原子的光谱应当总是连续的，而实际我们得到的氢原子光谱是分立的线状谱．考点一光谱和光谱分析1．光谱的分类按光谱的产生方式可分为放射光谱和汲取光谱，见下表：互动探究：太阳光谱的形成及其应用形成：阳光中含有各种颜色的光，但当阳光透过太阳的高层大气射向地球时，太阳高层大气含有的元素会汲取它自己特征谱线的光，然后再向四面八方放射出去，到达地球的这些谱线看起来就暗了，这就形成了连续谱背景下的暗线．应用：分析太阳光谱中的暗线，可以确定太阳大气层中含有的成分．2．光谱分析(1)定义：每种原子都有自己的特征谱线，可以利用光谱来鉴别物质和确定物质的组成成分．(2)优点：灵敏度高，分析物质的最低量达10－10g(3)应用①应用光谱分析发觉新元素；②鉴别物体的物质成分：探讨太阳光谱时发觉了太阳中存在钠、镁、铜、锌、镍等金属元素；③应用光谱分析鉴定食品优劣．【例1】太阳的光谱中有很多暗线，它们对应着某些元素的特征谱线．产生这些暗线是由于()A．太阳表面大气层中缺少相应的元素B．太阳内部缺少相应的元素C．太阳表面大气层中存在着相应的元素D．太阳内部存在着相应的元素汲取光谱的暗线是连续谱中某些波长的光波被物质汲取后产生的．【解析】太阳光谱中的暗线是由于太阳内部发出的强光经过温度较低的太阳大气层时产生的，表明太阳大气层中含有与这些特征谱线相应的元素．【答案】C总结提能太阳光谱是汲取光谱，不是连续谱．通过太阳光谱中的暗线与放射光谱的明线相对应，可确定太阳大气层的组成．(多选)关于光谱，下列说法正确的是(ACD)A．各种原子的放射光谱都是线状谱B．由于原子都是由原子核和电子组成的，所以各种原子的原子光谱是相同的C．由于各种原子的原子结构不同，所以各种原子的原子光谱也不相同D．依据各种原子发光的特征谱线进行光谱分析，可以鉴别物质和确定物质组成成分解析：每种原子都有自己的特征谱线，所以才能依据光谱来鉴别物质．考点二氢原子光谱的试验规律1．氢原子的光谱从氢气放电管可以获得氢原子光谱，如图所示．2．氢原子光谱的特点在氢原子光谱图中的可见光区内，由右向左，相邻谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律性．巴耳末对放电的氢原子光谱的谱线进行探讨得到了下面的公式，该公式称为巴耳末公式：eq\f(1,λ)＝R(eq\f(1,22)－eq\f(1,n2))(n＝3、4、5、6…)(1)公式中n只能取整数，不能连续取值，波长也只会是分立的值．(2)除了巴耳末系，氢原子光谱在红外和紫外光区的其他谱线也都满意与巴耳末公式类似的关系式．【例2】在可见光范围内，氢原子发光的波长最长的2条谱线的波长各为多少？氢原子的光谱有什么特点？依据巴耳末公式进行计算．【解析】巴耳末公式为eq\f(1,λ)＝R(eq\f(1,22)－eq\f(1,n2))，n＝3,4,5…因此，n取两个最小值3和4时，对应的波长最长，即n＝3时，eq\f(1,λ1)＝1.10×107×(eq\f(1,22)－eq\f(1,32))m－1解得λ1＝6.5×10－7n＝4时，eq\f(1,λ2)＝1.10×107×(eq\f(1,22)－eq\f(1,42))m－1解得λ2＝4.8×10－7m由于公式中的n只能取从3起先的整数，因此计算得到的氢原子光谱是由一系列线系组成的不连续的线状谱．【答案】6.5×10－7m4.8×10－7总结提能应用巴耳末公式进行计算时，肯定要理解公式中n的取值与波长λ的对应关系．(多选)关于巴耳末公式eq\f(1,λ)＝R(eq\f(1,22)－eq\f(1,n2))的理解，正确的是(AC)A．此公式是巴耳末在探讨氢光谱特征时发觉的B．公式中n可取随意值，故氢光谱是连续谱C．公式中n只能取不小于3的整数值，故氢光谱是线状谱D．公式不但适用于氢光谱的分析，也适用于其他原子的光谱解析：此公式是巴耳末在探讨氢光谱在可见光区的14条谱线中得到的，只适用于氢光谱的分析，且n只能取大于等于3的整数，则波长λ不能取连续值，故氢原子光谱是线状谱．重难疑点辨析解决光谱和光谱分析问题的方法1．解决有关光谱和光谱分析的问题，应从深化理解光谱的成因入手，正确理解不同谱线的特点连续谱是由炙热的固体、液体和高压气体干脆发光形成的，例如：白炽灯、炙热的铁水．线状谱是由淡薄气体或金属蒸气所放射的光谱，例如：光谱管、霓虹灯、烧钠盐形成的钠气发光．线状谱主要是由游离状态的原子放射的，所以也叫原子光谱．2．线状谱中每条光谱线对应着一种频率，不同物质的线状谱不同，因此通过测定线状谱可以鉴别物质学习光谱时，易对放射光谱、汲取光谱区分不清，造成错误．避开混淆的关键是正确理解光谱的形成缘由．放射光谱是物体干脆发出的光通过分光后产生的光谱，汲取光谱是高温物体发出的光通过低温物质时，某些波长的光被该物质汲取后而形成的，它的特点是在连续光谱的背景上呈现暗线．太阳光谱是典型的汲取光谱．【典例】下列说法中正确的是()A．炙热的固体、液体和高压气体发出的光形成连续光谱B．各种原子的线状光谱中的明线和它汲取光谱中的暗线必定一一对应C．气体发出的光只能产生明线光谱D．甲物质发出的白光通过乙物质的蒸气形成的是甲物质的汲取光谱【解析】据连续光谱的产生知A正确；由于汲取光谱中的暗线和线状谱中的明线相对应，但通常汲取光谱中看到的暗线要比线状谱中的明线少，所以B不对；气体发光，若为高压气体则产生连续谱，若为淡薄气体则产生明线光谱，所以C不对；甲物质发出的白光通过乙物质的蒸气形成了乙物质的汲取光谱，所以D不对，应选A.【答案】A线状谱连续谱形态特征一条条分立的谱线连在一起的光带组成某些不连续的波长的光组成一切波长的光都有产生淡薄气体或金属蒸气发光形成炙热的固体、液体、高压气体发光而产生的应用可用于光谱分析不能用于光谱分析1．白炽灯产生的光谱是(A)A．连续光谱B．线状光谱C．原子光谱D．汲取光谱解析：炙热的固体发出的光谱是连续光谱．2．白光通过棱镜后在屏上会形成按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫排列的连续光谱，下列说法不正确的是(A)A．棱镜使光增加了颜色B．白光是由各种颜色的光组成的C．棱镜对各种色光的折射率不同D．看到白光是因为发光物体发出了在可见光区的各种频率的光解析：白光通过棱镜使各种色光落在屏上的不同位置，说明棱镜对各种色光的折射率不同，形成的连续光谱按波长(或频率)排列，即白光包括各种频率的光，光的颜色是由波长(或频率)确定的，并非棱镜增加了颜色，即B、C、D正确．3．(多选)关于光谱和光谱分析，下列正确的是(CD)A．光谱包括连续光谱和线状谱B．太阳光谱是连续光谱，氢光谱是线状谱C．线状谱和汲取光谱都可用作光谱分析D．光谱分析帮助人们发觉了很多新元素解析：光谱包括放射光谱和汲取光谱，放射光谱又分为线状谱和连续谱，其中线状谱和汲取光谱可用作光谱分析．4．对于巴耳末公式，下列说法正确的是(C)A．全部氢原子光谱的波长都与巴耳末公式相对应B．巴耳末公式只确定了氢原子发光的可见光部分的光的波长C．巴耳末公式确定了氢原子发光的一个线系的波长，其中既有可见光，又有紫外光D．巴耳末公式确定了各种原子发光中的光的波长解析：巴耳末公式只确定了氢原子发光中一个线系的波长，不能描述氢原子发出的各种波长，也不能描述其他原子的发光，A、D错误；巴耳末公式是由当时已知的可见光中的部分谱线总结出来的，但它适用